JP2000031464A - Electron element - Google Patents
Electron elementInfo
- Publication number
- JP2000031464A JP2000031464A JP10193441A JP19344198A JP2000031464A JP 2000031464 A JP2000031464 A JP 2000031464A JP 10193441 A JP10193441 A JP 10193441A JP 19344198 A JP19344198 A JP 19344198A JP 2000031464 A JP2000031464 A JP 2000031464A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- tunnel
- junction
- electrodes
- electronic device
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 230000005428 wave function Effects 0.000 claims abstract description 36
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 22
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 claims description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 22
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 32
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 16
- 239000010408 film Substances 0.000 description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 10
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- FTWRSWRBSVXQPI-UHFFFAOYSA-N alumanylidynearsane;gallanylidynearsane Chemical compound [As]#[Al].[As]#[Ga] FTWRSWRBSVXQPI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 230000005610 quantum mechanics Effects 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000005469 synchrotron radiation Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電子素子に関し、
より詳細には、トンネル接合を用いた電子素子および単
電子素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electronic device,
More specifically, the present invention relates to an electronic device and a single-electron device using a tunnel junction.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、薄膜形成技術を応用して、トンネ
ル効果を利用した電子素子が提案試作されており、トン
ネル効果は、電子素子の動作原理に重要な物理現象であ
る。2. Description of the Related Art Hitherto, electronic devices utilizing the tunnel effect by applying a thin film forming technique have been proposed and manufactured, and the tunnel effect is a physical phenomenon that is important for the operation principle of the electronic device.
【0003】近年、微細加工技術を駆使して、微小なキ
ャパシタンスを有するトンネル接合が試作され、そのよ
うなトンネル接合で起こる単電子トンネリングに関する
研究が盛んに行われている。単電子トンネリング現象を
利用すれば、従来のマクロな電子素子に比べて、非常に
高速で動作し、かつ消費電力の極めて低い電子素子が実
現可能になる。その実現に向けて、単電子素子の試作研
究が随所で行われつつある。In recent years, a tunnel junction having a small capacitance has been trial-produced by making full use of microfabrication technology, and research on single-electron tunneling that occurs in such a tunnel junction has been actively conducted. The use of the single-electron tunneling phenomenon makes it possible to realize an electronic device that operates at a very high speed and consumes very little power as compared with a conventional macro electronic device. To realize this, trial production research of single-electron devices is being conducted everywhere.
【0004】単電子トンネリングの原理は、以下の通り
である。非常に小さなキャパシタンスを有するトンネル
接合では、電子一個の出し入れ(接合を介してのトンネ
リング)に伴う充電エネルギーの変化が温度揺らぎkT
(T:絶対温度、k:ボルツマン定数)に比べて無視でき
ない大きさになる。このような場合では、たとえ一個の
電子のトンネリングといえども、エネルギーが増加する
ようなトンネル現象は起こらない。このような現象は、
クーロン・ブロッケイドと呼ばれ、単電子トンネル現象
の基本概念である。The principle of single electron tunneling is as follows. In a tunnel junction having a very small capacitance, a change in charging energy due to the transfer of one electron (tunneling through the junction) is caused by a temperature fluctuation kT.
(T: absolute temperature, k: Boltzmann's constant). In such a case, even if it is a tunneling of one electron, a tunnel phenomenon in which energy is increased does not occur. Such a phenomenon,
It is called Coulomb blockade and is the basic concept of single electron tunneling.
【0005】このようなトンネル現象に関しては以下の
ような問題点があった。There are the following problems with respect to such a tunnel phenomenon.
【0006】従来のトンネル接合では、電子のトンネル
方向に対して方向性を有していないので、所定の方向以
外からの電子のトンネリングを抑制するために、すなわ
ち、逆方向に流れる電流を抑制するために、整流素子な
どの外部素子を必要とする。さらに、電子素子の方向性
は、バイアス電圧の供給方向や、接合容量の値の組み合
わせ方などに依存しており、複雑な回路構成を必要とす
る。The conventional tunnel junction has no directionality with respect to the direction of electron tunneling. Therefore, in order to suppress tunneling of electrons from a direction other than a predetermined direction, that is, a current flowing in the reverse direction is suppressed. Therefore, an external element such as a rectifying element is required. Furthermore, the directionality of the electronic element depends on the direction in which the bias voltage is supplied, the combination of the values of the junction capacitance, and the like, and requires a complicated circuit configuration.
【0007】特に、トンネル接合を単電子素子に応用し
て室温で安定に動作させるためには、電子一個あたりの
充電エネルギーe2/2Cを、室温での熱エネルギーk
Tよりも大きくしなければならない。すなわち、接合容
量Cを小さくする必要があり、一般に、そのような条件
を満たすトンネル接合の接合容量は、10-18F以下であ
る。電磁気学によれば、電極の面積S、および電極間の
距離dの平行平板電極からなるコンデンサの容量Cは: C=εS/d である。従って、接合面積を一定にした場合、接合容量
を小さくするためには、電極間の距離dを増加させる必
要がある。しかし、電極間のトンネル確率は、厳密には
電極の形状および構造によって影響を受けるものの、電
極間の距離dに対しては: exp(−d) に比例する。従って、電極間の距離dを大きくすると、
トンネル確率が下がって、トンネル抵抗が増加する。す
なわち、動作温度Tを上昇させると、安定に動作させる
ために電極間距離dを増加させる必要があり、その結果
トンネル抵抗が増加して、動作速度が低下するという問
題が生じる。つまり、動作温度と動作速度とのバランス
をとる必要があり、両者を独立に決定することができな
い。In particular, in order to apply a tunnel junction to a single-electron element to operate stably at room temperature, the charging energy e 2 / 2C per electron is reduced by the thermal energy k at room temperature.
Must be larger than T. That is, it is necessary to reduce the junction capacitance C. Generally, the junction capacitance of a tunnel junction satisfying such conditions is 10 −18 F or less. According to electromagnetism, the capacitance C of a capacitor consisting of parallel plate electrodes with an electrode area S and a distance d between the electrodes is: C = εS / d. Therefore, when the junction area is kept constant, it is necessary to increase the distance d between the electrodes in order to reduce the junction capacitance. However, the tunnel probability between the electrodes, although strictly affected by the shape and structure of the electrodes, is proportional to: exp (-d) for the distance d between the electrodes. Therefore, when the distance d between the electrodes is increased,
Tunnel probability decreases and tunnel resistance increases. That is, when the operating temperature T is increased, it is necessary to increase the distance d between the electrodes for stable operation, and as a result, the tunnel resistance increases and the operating speed decreases. That is, it is necessary to balance the operating temperature and the operating speed, and the two cannot be determined independently.
【0008】さらに、クーロン・ブロッケイドにより電
子のトンネリングが禁止され、電流が遮断されている領
域(クーロン・ブロッケイド領域)であっても、多重トン
ネリング(co-tunneling)の影響により漏れ電流が観測さ
れる。多重トンネリングによる漏れ電流は、トンネル接
合の抵抗を大きくするか、あるいは接合の数を増すこと
によって低下できることが見出されている。しかし、ト
ンネル接合の抵抗を大きくする方法では、動作速度の低
下を招く。よって、接合数を増加させる方法が主に用い
られているが、この方法では、ターンスタイル型のよう
な多重トンネル接合構造(Multi-Tunnel-Junction)を用
いた、より複雑な回路構成を必要とする。Further, even in a region where the electron tunneling is prohibited by the Coulomb blockade and the current is interrupted (Coulomb blockade region), a leakage current is observed due to the influence of multiple tunneling (co-tunneling). . It has been found that leakage current due to multiple tunneling can be reduced by increasing the resistance of the tunnel junction or increasing the number of junctions. However, the method of increasing the resistance of the tunnel junction causes a decrease in operating speed. Therefore, the method of increasing the number of junctions is mainly used, but this method requires a more complicated circuit configuration using a multi-tunnel-junction structure such as a turn-style type. I do.
【0009】上述の問題を解決したトンネル接合の例に
は、特開平8-264752号公報が挙げられる。この電子デバ
イスは、図13(a)のような複合障壁構造を有するトン
ネル接合を備える。このような構造によれば、障壁間の
電位差に応じて異なる障壁厚さを示し、よって異なるト
ンネル抵抗を示すので、トンネル抵抗を電位差の関数と
して変化させることができる。従って、図13(a)に示
すように、AからBへの方向に電子がトンネリングする
場合、異なる電圧状態に応じて、それぞれ異なるトンネ
ル抵抗を示すように構成されている。この場合、トンネ
ル接合の接合容量は、図13(a)中のT1〜Tnのどの経
路を通過してきた電子に対しても変化しない。一方、図
13(b)に示すように、BからAへの方向に電子がトン
ネリングする場合、トンネル抵抗は電圧の状態に依存せ
ずに一定の値を示す。さらに、AからBへの方向に電子
がトンネリングした場合のトンネル抵抗を、BからAへ
の方向に電子がトンネリングした場合のトンネル抵抗よ
りも小さな値となるように設定すれば、電子がトンネリ
ングした場合のトンネル抵抗に方向性を持たせることが
可能となる。このように、トンネル抵抗と接合容量とを
独立に設計し、同時に電子のトンネル方向に方向性を持
たせることが可能である。従って、上記トンネル接合を
電子素子、特に単電子素子に応用した場合に、動作温度
と動作速度とをそれぞれ独立に決定すること、および漏
れ電流を抑制することが可能となり、さらに素子自体に
方向性を持たせることが可能となる。An example of a tunnel junction which has solved the above-mentioned problem is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-264752. This electronic device includes a tunnel junction having a composite barrier structure as shown in FIG. According to such a structure, different barrier thicknesses are exhibited according to the potential difference between the barriers, and thus different tunnel resistances are exhibited, so that the tunnel resistance can be changed as a function of the potential difference. Therefore, as shown in FIG. 13A, when electrons are tunneled in the direction from A to B, different tunnel resistances are provided according to different voltage states. In this case, the junction capacitance of the tunnel junction does not change with respect to electrons passing through any of the paths from T 1 to T n in FIG. On the other hand, as shown in FIG. 13B, when electrons tunnel from B to A, the tunnel resistance shows a constant value independent of the voltage state. Furthermore, if the tunnel resistance when electrons tunnel from A to B is set to a value smaller than the tunnel resistance when electrons tunnel from B to A, the electrons tunnel. In this case, it is possible to give directionality to the tunnel resistance. In this way, it is possible to independently design the tunnel resistance and the junction capacitance, and at the same time, to provide directionality in the electron tunnel direction. Therefore, when the above-mentioned tunnel junction is applied to an electronic element, particularly a single-electron element, it is possible to determine the operating temperature and the operating speed independently and to suppress the leakage current, and furthermore, the element itself has a directivity. Can be provided.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】上記特開平8-264752号
公報では、高さが異なる障壁を複合化したトンネル接合
を構成することで先の問題を解決している。しかし、実
際にこのような電子素子を形成するためには、障壁の高
さが制御可能な材料を用いる必要がある。そのような材
料としては、アルミニウムガリウム砒素などの混晶化合
物半導体が挙げられる。例えば、アルミニウムガリウム
砒素の場合には、アルミニウムとガリウムとの組成比に
よって障壁の高さを制御することが可能である。しか
し、今日の半導体産業で実際に使われている材料のほと
んどは、シリコンをベースとして、窒化シリコン、酸化
シリコン、金属などである。これらの材料系は、障壁高
さを制御し得るような適当な混晶系を有しない。従っ
て、使用する材料系によっては、上記文献に記載される
ような構造を形成できないという問題がある。In JP-A-8-264752, the above problem is solved by forming a tunnel junction in which barriers having different heights are combined. However, in order to actually form such an electronic element, it is necessary to use a material whose barrier height can be controlled. Examples of such a material include a mixed crystal compound semiconductor such as aluminum gallium arsenide. For example, in the case of aluminum gallium arsenide, the height of the barrier can be controlled by the composition ratio of aluminum and gallium. However, most of the materials actually used in the semiconductor industry today are silicon-based, such as silicon nitride, silicon oxide, and metals. These material systems do not have a suitable mixed crystal system that can control the barrier height. Therefore, there is a problem that the structure described in the above-mentioned document cannot be formed depending on the material system used.
【0011】本発明の目的は、上述したような材料系の
限定を受けることなく、トンネル抵抗と接合容量とを独
立に設計することが可能であり、かつトンネルの方向性
を有する電子素子、特に単電子素子を提供することにあ
る。An object of the present invention is to provide an electronic device having a tunnel directionality, in which a tunnel resistance and a junction capacitance can be independently designed without being limited by the above-described material system, and in particular, a tunnel direction. It is to provide a single-electron element.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明の電子素子は、少
なくとも一対の電極と、該電極に形成されたトンネル接
合と、該電極での波動関数の分布にエネルギー依存性を
与える手段とを備える電子素子であって、該トンネル接
合のトンネル抵抗が該電極に印加される電圧に依存して
変化することによって、該電極の容量成分とトンネル成
分とが独立して設定され、かつ該トンネル接合が方向性
を有する。An electronic device according to the present invention includes at least a pair of electrodes, a tunnel junction formed at the electrodes, and means for imparting energy dependence to the distribution of a wave function at the electrodes. An electronic element, wherein a capacitance component and a tunnel component of the electrode are independently set by changing a tunnel resistance of the tunnel junction depending on a voltage applied to the electrode; It has directionality.
【0013】好適な実施態様においては、上記波動関数
の分布にエネルギー依存性を与える手段は、上記一対の
電極のうちの一方の電極に近接して配設された、1つま
たはそれ以上の量子構造である。[0013] In a preferred embodiment, the means for imparting energy dependence to the distribution of the wave function includes one or more quantum devices disposed in proximity to one of the pair of electrodes. Structure.
【0014】好適な実施態様においては、上記波動関数
の分布にエネルギー依存性を与える手段は、上記一対の
電極のうちの一方の電極に接合して配設された、1つま
たはそれ以上の量子構造である。In a preferred embodiment, the means for imparting energy dependence to the distribution of the wave function includes one or more quantum devices arranged in contact with one of the pair of electrodes. Structure.
【0015】好適な実施態様においては、上記電子素子
は単電子素子である。[0015] In a preferred embodiment, the electronic element is a single electronic element.
【0016】好適な実施態様においては、少なくとも一
対の上記トンネル接合を有し、該一対のトンネル結合の
間にクーロンアイランドを備え、該一対のトンネル接合
の上記方向性が互いに反対であるように直列に結合され
て、多重トンネリングを抑制する。In a preferred embodiment, at least one pair of the tunnel junctions is provided, a Coulomb island is provided between the pair of tunnel junctions, and the series connection is such that the directions of the pair of tunnel junctions are opposite to each other. To suppress multiple tunneling.
【0017】以下、本発明の作用について説明する。Hereinafter, the operation of the present invention will be described.
【0018】本発明の電子素子は、少なくとも一対の電
極と、該電極に形成されたトンネル接合とを備える。一
般に、量子力学によれば、一対の電極1、2の波動関数
をそれぞれΨ1(z)、Ψ2(z)、電極間の絶縁体のポテ
ンシャルをT(z)とすると、トンネル現象によるz方向
のトンネル電流Iは:The electronic device of the present invention includes at least a pair of electrodes and a tunnel junction formed on the electrodes. Generally, according to quantum mechanics, if the wave functions of a pair of electrodes 1 and 2 are Ψ1 (z) and Ψ2 (z), respectively, and the potential of an insulator between the electrodes is T (z), the z-direction of the tunneling phenomenon The tunnel current I is:
【式1】 という関係を満たす。ここで、一方の電極においてエネ
ルギーの高い状態の波動関数は残りの電極の近くまで分
布し、エネルギーの低い状態の波動関数は電極自身付近
に分布するように波動関数を制御するように考える。こ
のような波動関数の分布にエネルギー依存性を与えれ
ば、トンネル電流にエネルギー依存性を与えることが可
能となり、よって、トンネル抵抗にエネルギー依存性を
与えることが可能となる。本発明の電子素子は、このよ
うな波動関数の分布にエネルギー依存性を与える手段を
備える。波動関数の分布にエネルギー依存性を与える
と、波動関数のしみ出しの程度がエネルギーに依存する
ので、トンネル抵抗にエネルギー依存性を与えることが
可能である。よって、上記の手段を調節してトンネル抵
抗を制御することができるので、トンネル抵抗をトンネ
ル接合の容量と独立して設定することが可能である。さ
らに、このような電子素子は、材料系の限定を受けな
い。(Equation 1) Satisfies the relationship. Here, it is considered that the wave function in the high-energy state is distributed close to the remaining electrodes in one electrode, and the wave function in the low-energy state is distributed near the electrodes themselves. If the energy distribution is given to such a distribution of the wave function, it becomes possible to give the tunnel current an energy dependency, and thus it is possible to give the tunnel resistance an energy dependency. The electronic element of the present invention includes means for giving such a wave function distribution energy dependency. When the energy distribution is given to the distribution of the wave function, the degree of seepage of the wave function depends on the energy. Therefore, the energy dependence can be given to the tunnel resistance. Therefore, since the tunnel resistance can be controlled by adjusting the above-described means, the tunnel resistance can be set independently of the capacitance of the tunnel junction. Furthermore, such electronic devices are not limited by the material system.
【0019】より詳細には、本発明の好ましい実施態様
においては、図1に示すように、電極2に近接して量子
構造3が配設される。このため、量子構造3の量子閉じ
込め効果による量子準位E0の波動関数は、電極2の同
じエネルギーの波動関数と結合し、この結合した波動関
数は図2(a)のように量子構造3と電極2に亘って分布
する。従って、量子構造3により波動関数の分布を変化
させ得、さらに、電極1、2に対して量子構造3の構造
などを調節して量子準位E0を変化させることにより、
結合した波動関数の分布を変化させ得るので、波動関数
の分布にエネルギー依存性を持たせることが可能とな
る。図5(a)に示すように、電極1のフェルミエネルギ
ーが電極2のフェルミエネルギーEFよりもE0高くなる
ような電圧Vが印加される条件では、電極1と量子構造
3との間の距離でトンネル抵抗が決まる。それ以外の電
圧印加条件では、電極1と電極2との間の距離でトンネ
ル抵抗が決まる。すなわち、このようなトンネル接合
は、電圧Vが印加される条件下で、電極1から電極2に
向かう方向性を有し、かつ他の条件下のトンネル抵抗よ
りも低いトンネル抵抗を有する。よって、電極に印加す
る電圧の条件(方向および大きさ)に応じて、トンネル抵
抗を変化させることが可能である。一方、このトンネル
接合の接合容量は、電極1から量子構造3を通って電極
2に到達した電子が格子振動等による冷却機構によって
緩和するというメカニズムによるので、電極1と電極2
との間の距離で設定され得る。以上のように、量子構造
3を備えるだけで、接合容量を変化させることなく、ト
ンネル抵抗を変化させ、かつ電子のトンネル方向に方向
性を持たせることが可能となる。さらに、このような電
子素子は、材料系の限定を受けない。More specifically, in a preferred embodiment of the present invention, a quantum structure 3 is arranged close to the electrode 2, as shown in FIG. For this reason, the wave function of the quantum level E 0 due to the quantum confinement effect of the quantum structure 3 is combined with the wave function of the same energy of the electrode 2, and the combined wave function is as shown in FIG. And distributed over the electrode 2. Therefore, the distribution of the wave function can be changed by the quantum structure 3, and the quantum level E 0 is changed by adjusting the structure of the quantum structure 3 with respect to the electrodes 1 and 2.
Since the distribution of the combined wave function can be changed, the distribution of the wave function can have energy dependency. Figure 5 (a), in the condition where the voltage V as the Fermi energy is E 0 greater than the Fermi energy E F of the electrode 2 of the electrode 1 is applied, between the electrodes 1 and the quantum structure 3 The distance determines the tunnel resistance. Under other voltage application conditions, the tunnel resistance is determined by the distance between the electrode 1 and the electrode 2. That is, such a tunnel junction has a directionality from the electrode 1 to the electrode 2 under the condition where the voltage V is applied, and has a tunnel resistance lower than the tunnel resistance under other conditions. Therefore, it is possible to change the tunnel resistance according to the conditions (direction and magnitude) of the voltage applied to the electrode. On the other hand, the junction capacitance of this tunnel junction is based on a mechanism in which electrons reaching the electrode 2 from the electrode 1 through the quantum structure 3 are relaxed by a cooling mechanism due to lattice vibration or the like.
Can be set at a distance between As described above, only by providing the quantum structure 3, it becomes possible to change the tunnel resistance and to give directionality to the electron tunneling direction without changing the junction capacitance. Furthermore, such electronic devices are not limited by the material system.
【0020】以上のような電子素子は、単電子素子にも
同様に適用可能である。本発明の好ましい実施形態にお
いては、本発明の単電子素子は、一対の上記のようなト
ンネル接合を備え、その方向性が互いに反対であるよう
に直列に結合されているので、電子のトンネリングに対
して、クーロン・ブロッケイド領域時のトンネル接合の
抵抗を動作領域時の抵抗よりも大きくすることが可能で
ある。その結果、本発明の単電子素子は、多重トンネリ
ングを抑制する機能をさらに有し得る。The above-described electronic device can be similarly applied to a single electronic device. In a preferred embodiment of the present invention, the single-electron element of the present invention includes a pair of tunnel junctions as described above, and is connected in series so that the directions are opposite to each other. On the other hand, the resistance of the tunnel junction in the Coulomb blockade region can be made larger than the resistance in the operation region. As a result, the single electron device of the present invention may further have a function of suppressing multiple tunneling.
【0021】[0021]
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施形態につい
て図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施形
態には限定されない。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.
【0022】(実施形態1)図1は本発明のトンネル接合
の構造を説明する模式図である。この電子素子は、電極
1、2と、電極2の近位に配設された量子構造3とで構
成されている。これらの位置関係については、電極1と
量子構造3との間の距離、および量子構造3と電極2と
の間の距離が、それぞれトンネル効果、および波動関数
の結合を生じるように設定されている。トンネル効果お
よび波動関数の結合現象は、例えば、約数1000オングス
トローム以下、および約数オングストロームから数10オ
ングストロームでそれぞれ起こる。ここで、これらの値
は、電子素子を構成する材料および構造に依存して変化
し得るので、トンネル効果および波動関数の結合が起こ
り得る距離であれば、これらに限定されない。(Embodiment 1) FIG. 1 is a schematic view illustrating the structure of a tunnel junction according to the present invention. This electronic device is composed of electrodes 1 and 2 and a quantum structure 3 arranged in the vicinity of the electrode 2. Regarding these positional relationships, the distance between the electrode 1 and the quantum structure 3 and the distance between the quantum structure 3 and the electrode 2 are set so as to cause a tunnel effect and a coupling of a wave function, respectively. . Tunneling and wave function coupling phenomena occur, for example, at less than about several thousand angstroms, and at about several angstroms to several tens of angstroms, respectively. Here, these values can vary depending on the material and structure of the electronic element, and are not limited to these as long as tunneling and coupling of the wave function can occur.
【0023】量子構造3は、量子閉じ込め効果によって
量子準位E0を有する。この量子構造3は任意の適切な
大きさであり得、例えば、約数百オングストローム以下
である。上記と同様に、材料や構造によってより大きな
構造で量子閉じ込め効果が起こり得る距離であれば、こ
の値に限定されない。The quantum structure 3 has a quantum level E 0 due to the quantum confinement effect. This quantum structure 3 can be of any suitable size, for example, less than about a few hundred angstroms. As described above, the distance is not limited to this value as long as the quantum confinement effect can occur in a larger structure depending on the material and the structure.
【0024】電極2の近位に配設されることにより、量
子構造3の波動関数は、電極2の波動関数と結合して、
図2(a)に示すように、電極2と量子構造3とに亘って
エネルギー準位を形成する。The wave function of the quantum structure 3 is combined with the wave function of the electrode 2 by being disposed in the vicinity of the electrode 2,
As shown in FIG. 2A, an energy level is formed over the electrode 2 and the quantum structure 3.
【0025】以下、電極1、2と量子構造3とが、すべ
て金属で構成される場合について、エネルギーバンド図
を用いて説明する。なお、電極1、2および量子構造3
のいずれかが半導体である場合には、フェルミ面をフェ
ルミレベルとし、かつ電子が存在し得ない状態である禁
制帯を設けるだけで、以下と同様に説明し得る。Hereinafter, a case where the electrodes 1 and 2 and the quantum structure 3 are all made of metal will be described with reference to an energy band diagram. The electrodes 1 and 2 and the quantum structure 3
In the case where any one of the above is a semiconductor, the same explanation can be given as below by merely setting the Fermi surface to the Fermi level and providing a forbidden band in which electrons cannot exist.
【0026】さらに、上記のように波動関数が結合して
新たに準位を形成すると、重なり相互作用によってエネ
ルギーシフトが生じるが、ここでは、結合して相互作用
を取り込んだ後の量子構造3と電極2とに亘るエネルギ
ー準位をE0と置き換えて以下に説明する。Furthermore, when the wave functions are combined to form a new level as described above, an energy shift occurs due to the overlapping interaction. Here, the energy structure is combined with the quantum structure 3 after the coupling and the interaction is incorporated. The description will be made below by replacing the energy level across the electrode 2 with E 0 .
【0027】図2(b)のRh13は、電極1と量子構造
3との間のトンネル抵抗を、Rl12は、電極1と電極
2との間のトンネル抵抗を表している。[0027] R h 13 in FIG. 2 (b), the tunnel resistance between the electrode 1 and the quantum structure 3, R l 12 represents the tunneling resistance between the electrodes 1 and 2.
【0028】電極1、2間に電圧Vが印加されていない
場合、等価回路として、図2(c)のようなトンネル抵抗
Rl12と、電極1、2間の接合容量C12との並列回
路が示される。[0028] If the voltage V between the electrodes 1 and 2 is not applied, as an equivalent circuit, parallel circuit of the tunnel resistance R l 12 as in FIG. 2 (c), the junction capacitance C12 between the electrodes 1 and 2 Is shown.
【0029】図2(a)の電圧が印加されていない状態か
ら、順次このトンネル接合に電圧Vを印加していった場
合を以下に考える。The case where the voltage V is sequentially applied to this tunnel junction from the state where no voltage is applied in FIG. 2A will be considered below.
【0030】図3(a)に示すように、印加電圧Vによる
エネルギー差eVが、量子構造3における量子準位E0
よりも小さい場合は、図2の場合と同様に、接合を通過
する電子に対する抵抗はRl12であり、さらに接合容
量もC12のままである。一方、図4(a)に示すよう
に、図3(a)と逆方向に同じ大きさの電圧−Vを印加し
た場合も同様に、トンネル抵抗、接合容量ともに変化し
ない。As shown in FIG. 3A, the energy difference eV due to the applied voltage V is equal to the quantum level E 0 in the quantum structure 3.
If less than, as in the case of FIG. 2, the resistance to electrons passing through the junction is R l 12, further junction capacitance remains C12. On the other hand, as shown in FIG. 4A, when a voltage −V having the same magnitude is applied in the opposite direction to that of FIG. 3A, the tunnel resistance and the junction capacitance do not change.
【0031】次に図5(a)に示す様に、印加電圧Vによ
る電極1、2間のエネルギー差eVが、量子構造3にお
ける量子準位E0よりも大きい場合は、まず電子は電極
1から量子構造3にトンネリングし、さらに波動関数が
結合している電極2に移動して瞬時に緩和される。従っ
て、電子に対するトンネル抵抗RはRh13となるが、
接合容量はC12のままである。このため、接合容量を
変化させることなくトンネル抵抗を変化させることが可
能になる。一方、図6(a)に示すように、図5(a)と逆
方向に同じ大きさの電圧−Vを印加した場合には、電子
は量子構造3における準位を越えてトンネリングでき
ず、トンネル抵抗はRl12となる。以上のように、本
発明の電子素子に形成されたトンネル接合のトンネル抵
抗は、材料の制限を受けることなく、印加電圧の大きさ
と、印加方向(すなわち方向性)とに依存する。Next, as shown in FIG. 5A, when the energy difference eV between the electrodes 1 and 2 due to the applied voltage V is larger than the quantum level E 0 in the quantum structure 3, electrons are first applied to the electrode 1 , Tunneling to the quantum structure 3, and further move to the electrode 2 to which the wave function is coupled, and is instantaneously relaxed. Therefore, the tunnel resistance R for electrons is R h13 ,
The junction capacitance remains at C12. Therefore, it is possible to change the tunnel resistance without changing the junction capacitance. On the other hand, as shown in FIG. 6A, when the same voltage -V is applied in the opposite direction to that of FIG. 5A, electrons cannot tunnel beyond the level in the quantum structure 3, and The tunnel resistance is Rl12 . As described above, the tunnel resistance of the tunnel junction formed in the electronic device of the present invention depends on the magnitude of the applied voltage and the application direction (that is, the directionality) without being limited by the material.
【0032】(実施形態2)本発明の別の実施形態におい
ては、電極1と量子構造3との間の距離がトンネル効果
が起こるような距離にあり、量子構造3と電極2との間
の距離が波動関数の結合は生じないが、トンネル効果が
起こるような距離にある。本実施形態では、図7に示す
ように、印加電圧Vによるエネルギー差eVがE0より
大きい場合の、電極1と量子構造3との間のトンネル抵
抗Rh13と、印加電圧Vによるエネルギー差eVがE0
より小さい場合の、トンネル抵抗Rl12とだけでな
く、さらに印加電圧Vによるエネルギー差eVがE0よ
り大きい場合に、量子構造3と電極2との間のトンネル
抵抗Rh32を考慮する必要がある。(Embodiment 2) In another embodiment of the present invention, the distance between the electrode 1 and the quantum structure 3 is such that a tunnel effect occurs, and the distance between the quantum structure 3 and the electrode 2 is The distance is such that there is no coupling of the wave functions, but such that a tunnel effect occurs. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, when the energy difference eV due to the applied voltage V is larger than E 0 , the tunnel resistance R h13 between the electrode 1 and the quantum structure 3 and the energy difference due to the applied voltage V eV is E 0
If smaller, not only the tunnel resistance R l 12, further when the energy difference eV is greater than E 0 by the applied voltage V, must consider the tunneling resistance R h 32 between the quantum structure 3 and the electrode 2 There is.
【0033】図3(a)および図4(a)と同様に、印加電
圧Vによるエネルギー差eVが、量子構造3における量
子準位E0よりも小さい場合は、実施形態1と同様の原
理により、接合全体のトンネル抵抗はRl12、接合容
量はC12となる。As in FIGS. 3A and 4A, when the energy difference eV due to the applied voltage V is smaller than the quantum level E 0 in the quantum structure 3, the same principle as in the first embodiment is applied. , joining the whole of the tunnel resistance R l 12, the junction capacitance becomes C12.
【0034】図5(a)と同様に、印加電圧Vによるエネ
ルギー差eVが量子構造3における量子準位E0よりも
大きい場合、接合全体のトンネル抵抗Rは、Rh13+
Rh32となる。本実施形態においても、トンネル電流
が接合距離dに対してexp(−d)に比例するという非
線形性を有し、量子構造3によってエネルギーE0とそ
れよりも低いエネルギーでの波動関数の分布が異なるこ
とから、この場合のトンネル抵抗R(=Rh13+Rh3
2)は、Rl12よりも小さく、トンネル抵抗が減少して
いる。一方、図6(a)と同様に、図5(a)と逆方向に同
じ大きさの電圧−Vを印加した場合には、実施形態1と
同様の原理により、接合全体のトンネル抵抗はRl1
2、接合容量はC12となり、電子は量子構造3におけ
る準位を越えてトンネリングできない。[0034] Similarly Figure 5 as (a), when the energy difference eV due to the applied voltage V is greater than the quantum level E 0 in the quantum structure 3, tunneling resistance R of the whole junction, R h 13+
R h 32. Also in this embodiment, has a nonlinearity of the tunnel current is proportional to exp (-d) to the bonding distance d, the distribution of the wave function at a lower energy than the energy E 0 by the quantum structure 3 from different, in this case the tunnel resistance R (= R h 13 + R h 3
2) it is smaller than R l 12, the tunnel resistance is reduced. On the other hand, as in FIG. 6A, when the same voltage −V is applied in the opposite direction to FIG. 5A, the tunnel resistance of the entire junction becomes R l 1
2. The junction capacitance becomes C12, and electrons cannot tunnel beyond the level in the quantum structure 3.
【0035】従って、本実施形態によるトンネル接合の
トンネル抵抗も同様に、材料の制限を受けることなく、
印加電圧の大きさと、印加方向とに依存する。Accordingly, the tunnel resistance of the tunnel junction according to the present embodiment is also not limited by the material, and
It depends on the magnitude of the applied voltage and the direction of application.
【0036】(実施形態3)さらに、量子構造3を電極2
のより近位に配設しても良い。本実施形態においては、
図8(a)に示すように電極1と量子構造3との間の距離
がトンネル接合を生じる距離にあり、量子構造3と電極
2とが接合されている。この場合においても、図8(b)
および(c)に示すように波動関数の分布にエネルギー依
存性があれば、実施形態1と同じ原理で動作する。従っ
て、このような電子素子のトンネル抵抗は、材料の制限
を受けることなく、印加電圧の大きさと印加方向とに依
存し、接合容量とトンネル抵抗とを独立して設計するこ
とが可能である。(Embodiment 3) Furthermore, the quantum structure 3 is
It may be arranged more proximally than. In the present embodiment,
As shown in FIG. 8A, the distance between the electrode 1 and the quantum structure 3 is the distance at which a tunnel junction occurs, and the quantum structure 3 and the electrode 2 are joined. Also in this case, FIG.
If the distribution of the wave function has energy dependence as shown in (c), it operates on the same principle as in the first embodiment. Therefore, the tunnel resistance of such an electronic element depends on the magnitude and direction of the applied voltage without being limited by the material, and the junction capacitance and the tunnel resistance can be designed independently.
【0037】上記実施形態1〜3においては、量子構造
3での量子閉じ込め効果による量子準位として、E0の
みを考えたが、複数の量子準位が存在しても良い。この
時には、その中で最も低いエネルギーのものをE0とお
けば良い。さらに、複数の量子準位の波動関数の分布が
異なる場合には、上記実施形態と同様の原理によって、
複数のトンネル抵抗を電圧の印加条件によって制御する
ことが可能となる。In the first to third embodiments, only E 0 is considered as the quantum level due to the quantum confinement effect in the quantum structure 3, but a plurality of quantum levels may exist. At this time, it may be put to the E 0 those of the lowest energy among them. Further, when the distribution of the wave functions of a plurality of quantum levels is different, by the same principle as in the above embodiment,
It becomes possible to control a plurality of tunnel resistances according to a voltage application condition.
【0038】さらに、波動関数の分布にエネルギー依存
性をもたせることで、トンネル抵抗にエネルギー依存性
をもたせるという目的が達成されるならば、量子構造の
形状は、任意の適切な形状であり得、例えば、箱、柱、
角柱、円柱、球、およびそれらを組み合わせた複合構造
が挙げられる。また、トンネル接合を形成する電極間に
おける量子構造の数も、1つに限定されず、複数であっ
てもよい。Furthermore, if the purpose of imparting energy dependence to the tunnel resistance is achieved by imparting energy dependence to the distribution of the wave function, the shape of the quantum structure can be any suitable shape, For example, boxes, pillars,
Examples include prisms, cylinders, spheres, and composite structures combining them. Further, the number of quantum structures between the electrodes forming the tunnel junction is not limited to one, but may be plural.
【0039】上記説明では、電極をエネルギー準位が連
続であるバルクとみなして説明したが、電極の波動関数
の分布にエネルギー依存性をもたせる目的が達成される
ならば、電極もまた、離散的な準位を有する量子構造で
あっても良い。In the above description, the electrode has been described as a bulk having a continuous energy level. However, if the purpose of imparting energy dependence to the distribution of the wave function of the electrode is achieved, the electrode is also discrete. It may be a quantum structure having various levels.
【0040】また、電子素子の形状および材料を制御す
ることで、波動関数の分布にエネルギー依存性を持たせ
ることが可能であれば、量子構造を電極間に形成しなく
てもよい。また、本発明におけるトンネル接合を形成す
る材料は、2つの電極、量子構造、すべて同じでも異な
っていても良く、任意の適切な材料が用いられる。If the shape and material of the electronic element can be controlled so that the distribution of the wave function can have energy dependence, the quantum structure need not be formed between the electrodes. Further, the material forming the tunnel junction in the present invention may be the same or different for the two electrodes and the quantum structure, and any appropriate material is used.
【0041】(実施形態4)以下、上記トンネル接合の単
電子素子への応用について説明する。ここで、上記トン
ネル接合およびその方向性を図9に示す記号であらわ
す。2つの接合した四角形は、トンネル接合をあらわ
し、四角形の中の矢印は、上記実施形態で説明したトン
ネル接合の方向性をあらわすものとする。図9における
四角形中の右向きの矢印は、図2〜図7に示した本発明
の電子素子に形成されたトンネル接合のトンネルの方向
性に一致する。(Embodiment 4) Hereinafter, application of the above-described tunnel junction to a single-electron device will be described. Here, the above-mentioned tunnel junction and its directionality are represented by symbols shown in FIG. The two joined squares represent a tunnel junction, and the arrows in the rectangle represent the directionality of the tunnel junction described in the above embodiment. The right-pointing arrow in the square in FIG. 9 corresponds to the directionality of the tunnel of the tunnel junction formed in the electronic device of the present invention shown in FIGS.
【0042】図10(a)に、本発明の別の実施形態にお
ける単電子素子を示す。FIG. 10A shows a single electron device according to another embodiment of the present invention.
【0043】この単電子素子は、2つの上記トンネル接
合が、トンネルの方向性が一致するように直列に結合さ
れて、この2つのトンネル接合の間の領域にクーロンア
イランドを備えた構造を有する。クーロンアイランド
は、図10(b)に示すように、ゲートキャパシタンスC
gを介して外部回路と接続されている。This single-electron element has a structure in which the two tunnel junctions are connected in series so that the directions of the tunnels coincide with each other, and a Coulomb island is provided in a region between the two tunnel junctions. Coulomb Island has a gate capacitance C as shown in FIG.
It is connected to an external circuit via g .
【0044】この単電子素子は、上記実施形態と同様
に、図10(a)中のAからBへの方向(順方向)の電子の
伝搬に対しては、接合に印加される電圧の大きさに応じ
て、R lまたはRhのいずれかの抵抗値をとり得る。しか
し、BからAへの方向(逆方向)の電子の伝搬に対して
は、抵抗値は常にRlである。従って、順方向からの電
子を伝搬し、逆方向からの電子を伝搬しないように設定
することが可能であり、電子の伝搬を選択的に制御し得
る。すなわち、本発明による単電子素子は方向性を有し
ている。This single-electron element is similar to the above-described embodiment.
10A, the direction of electrons in the direction from A to B (forward direction) in FIG.
For propagation, depending on the magnitude of the voltage applied to the junction
And R lOr RhThe resistance value can be any of Only
And the propagation of electrons from B to A (reverse direction)
Means that the resistance value is always RlIt is. Therefore, power from the forward direction
Set to propagate electrons and not propagate electrons from the opposite direction
Can selectively control the propagation of electrons.
You. That is, the single-electron device according to the present invention has directionality.
ing.
【0045】また、図10(a)の単電子素子において、
トンネリングする電子が常にRhの抵抗値を有する様
に、印加電圧VをeV>E0となるように設定しておけ
ば、接合容量値を変化させることなくトンネル抵抗値を
減少させることが可能である。その結果、同じ接合容量
を有する従来の単電子素子と比較して、動作速度を向上
することが可能になる。Further, in the single electron device of FIG.
If the applied voltage V is set so that eV> E 0 so that the tunneling electrons always have a resistance value of R h, the tunnel resistance value can be reduced without changing the junction capacitance value. It is. As a result, the operation speed can be improved as compared with a conventional single electron device having the same junction capacitance.
【0046】(実施形態5)図11を参照して、本発明の
別の実施形態における、トンネル接合を有する多重トン
ネリング抑制型単電子素子の動作原理を示す。図14
は、多重トンネリング抑制型単電子素子と比較して説明
するための、量子構造を有さない通常の単電子素子を説
明する模式図である。(Embodiment 5) Referring to FIG. 11, the operation principle of a multi-tunneling suppressing single-electron device having a tunnel junction in another embodiment of the present invention will be described. FIG.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a normal single-electron element having no quantum structure, for comparison with a multi-tunneling suppressing single-electron element.
【0047】この多重トンネリング抑制型単電子素子
は、2つの上記トンネル接合が、トンネルの方向性が互
いに反対になるように直列に結合されて、この2つのト
ンネル接合の間の領域にクーロンアイランドを備えた構
造を有する。In this multi-tunneling suppressing single-electron element, the two tunnel junctions are connected in series so that the directions of the tunnels are opposite to each other, and a Coulomb island is formed in a region between the two tunnel junctions. It has a provided structure.
【0048】動作領域、すなわち印加電圧V(eV=
E0)を印加した場合では、図11(a)に示すように、電
子は接合C2をトンネル抵抗Rhで通過し、接合C1を
トンネル抵抗Rlで通過する。ここで、トンネル抵抗Rl
およびRhの定義はそれぞれ図10(a)に示したものと
同じであり、上記実施形態で説明したようにRl>Rhと
いう関係を満たす。図14(a)に示すように、通常のト
ンネル接合を用いた単電子素子は、接合C1および接合
C2の両方をトンネル抵抗Rhで通過する。The operating region, that is, the applied voltage V (eV = eV =
When (E 0 ) is applied, as shown in FIG. 11A, electrons pass through the junction C2 with the tunnel resistance R h and pass through the junction C1 with the tunnel resistance R 1 . Here, the tunnel resistance R l
The definitions of R h and R h are the same as those shown in FIG. 10A, and satisfy the relationship of R l > R h as described in the above embodiment. As shown in FIG. 14 (a), a single electronic device using the conventional tunnel junction passes through both of the bonding C1 and junction C2 in tunnel resistance R h.
【0049】図11(b)および図14(b)に示すよう
に、クーロン・ブロッケイド領域、すなわちクーロンア
イランド内の電子数が1個増えてN個からN+1個にな
り、その静電ポテンシャルによって、N+1で示す準位
が状態Aよりも高くなるために、通常のトンネル現象
(各図中に破線の矢印で示す)が禁止される場合であって
も、状態Bが状態Aよりもエネルギーが低ければ、状態
Aから状態Bへの電子のトンネリングが発生する(各図
中に実線の矢印で示す)。このような現象を多重トンネ
リングという。As shown in FIGS. 11 (b) and 14 (b), the number of electrons in the Coulomb blockade region, that is, the Coulomb island, is increased by one from N to N + 1. Since the level indicated by N + 1 is higher than that in state A, a normal tunnel phenomenon occurs.
Even in the case where (indicated by a broken line arrow in each drawing) is prohibited, if the energy of the state B is lower than that of the state A, tunneling of electrons from the state A to the state B occurs (see each drawing). Is indicated by a solid arrow). Such a phenomenon is called multiple tunneling.
【0050】ここで、図11および図14に示した、ク
ーロンアイランドにおけるエネルギー準位NおよびN+
1は、量子閉じ込め効果によるものではなく、それぞれ
N個およびN+1個の電子がクーロンアイランドに存在
する場合の、接合容量による静電エネルギーを考慮した
場合のエネルギーを示す。Here, the energy levels N and N + in Coulomb island shown in FIGS.
Numeral 1 indicates the energy not due to the quantum confinement effect but taking into account the electrostatic energy due to the junction capacitance when N and N + 1 electrons are present on the Coulomb island, respectively.
【0051】クーロン・ブロッケイド領域では、電子
は、通常のトンネリングによってはクーロンアイランド
内にトンネリングできないが、多重トンネリングによっ
てクーロンアイランド内にトンネリングする。このトン
ネリングした電子は、クーロンアイランド内で定常状態
を形成しない。よって、この電子はクーロンアイランド
内でいかなるエネルギー状態をも採ることが可能とな
る。従って、図14のような、通常のトンネル接合のト
ンネル抵抗は、電子のエネルギー状態によって変化しな
いので、クーロン・ブロッケイド領域時(図14(b))に
多重トンネリングをする電子が受けるトンネル抵抗は、
動作領域時(図14(a))にトンネリング電子が受ける抵
抗と等しい。従って、通常のトンネル接合が形成された
電子素子は多重トンネリングを抑制できない。In the Coulomb blockade region, electrons cannot tunnel into the Coulomb island by ordinary tunneling, but do tunnel into the Coulomb island by multiple tunneling. The tunneled electrons do not form a steady state in Coulomb island. Therefore, this electron can take any energy state in Coulomb island. Therefore, since the tunnel resistance of a normal tunnel junction as shown in FIG. 14 does not change depending on the energy state of electrons, the tunnel resistance that electrons undergoing multiple tunneling during the Coulomb blockade region (FIG. 14B) is
In the operation region (FIG. 14A), the resistance is equal to the resistance of the tunneling electrons. Therefore, an electronic device having a normal tunnel junction cannot suppress multiple tunneling.
【0052】しかし、本発明による多重トンネリング抑
制型単電子素子は、クーロンアイランド内で電子がいか
なるエネルギー状態を有しても、図11(b)に示すよう
に、接合C1のトンネル抵抗は常にRlである。さら
に、接合C2のトンネル抵抗を、クーロン・ブロッケイ
ド領域時(図11(b))ではRlとなるように設定し、動
作領域時(図11(a))では、Rhとなるように設定して
いる。従って、クーロン・ブロッケイド領域時に多重ト
ンネリングをする電子が受ける抵抗はRl+Rlとなり、
動作領域時にトンネリング電子が受ける抵抗Rl+Rhよ
りも大きくなる。その結果、本実施形態の単電子素子は
多重トンネリングを抑制する機能を有し、多重トンネリ
ング抑制型単電子素子となる。However, in the multi-tunneling suppressing single-electron device according to the present invention, as shown in FIG. 11B, the tunnel resistance of the junction C1 is always R regardless of the energy state of the electrons in the Coulomb island. l . Moreover, setting the tunnel resistance of the junction C2, as when Coulomb blockade area set to be (FIG. 11 (b)) in R l, in the operation region (FIG. 11 (a)), the R h are doing. Therefore, the resistance received by the multi-tunneling electron in the Coulomb blockade region is R l + R l ,
The resistance becomes larger than the resistance R l + R h that the tunneling electrons receive in the operation region. As a result, the single-electron element of the present embodiment has a function of suppressing multiple tunneling, and becomes a multiple-tunneling suppressing single-electron element.
【0053】以上、本発明の好ましい実施形態について
説明してきたが、次に、上記のようなトンネル接合を形
成する方法を、一例としてSOI基板を用いた場合につ
いて説明する。The preferred embodiment of the present invention has been described above. Next, a method of forming a tunnel junction as described above will be described using an SOI substrate as an example.
【0054】図12(a)〜(c)は、本発明の電子素子の
形成方法を説明するための斜視図である。図12(c)に
示す電子素子100は、シリコン基板11と、埋め込み
酸化膜12と、シリコン層からなる電極1、2と、同じ
くシリコン層からなる量子構造3とを備え、電極1、
2、および量子構造3の上部にSiO2膜15をそれぞ
れ備える。FIGS. 12A to 12C are perspective views for explaining a method of forming an electronic device according to the present invention. The electronic device 100 shown in FIG. 12C includes a silicon substrate 11, a buried oxide film 12, electrodes 1 and 2 made of a silicon layer, and a quantum structure 3 made of a silicon layer.
2 and an SiO 2 film 15 on the quantum structure 3.
【0055】シリコン基板11と、埋め込み酸化膜12
(厚さ約500nm)と、シリコン層13(厚さ約50nm)とから
なるSOI基板のシリコン層13上に、PMMA(ポリ
メチルメタアクリレート)からなる電子線レジストを膜
厚約50nmとなるように塗布した。次いで、ポイント電子
ビームにより、パターン形状を露光し、これを引き続い
て現像して、図12(a)に示すようなスペース部を有す
るレジストパターン14を形成した。次に、図12(b)
に示すように、このレジストパターン14上に、スパッ
タリングによりSiO2膜15を約50nm堆積した。これ
により、レジストパターン14のスペース部のシリコン
層13上にもSiO2膜15aを同時に堆積した。Silicon substrate 11 and buried oxide film 12
An electron beam resist made of PMMA (polymethyl methacrylate) having a thickness of about 50 nm is formed on the silicon layer 13 of the SOI substrate composed of the silicon layer 13 (thickness of about 500 nm) and the silicon layer 13 (thickness of about 50 nm). Applied. Next, the pattern shape was exposed by a point electron beam, and this was subsequently developed to form a resist pattern 14 having a space portion as shown in FIG. Next, FIG.
As shown in FIG. 2, an SiO 2 film 15 was deposited on the resist pattern 14 by sputtering to a thickness of about 50 nm. Thus, the SiO 2 film 15a was simultaneously deposited on the silicon layer 13 in the space of the resist pattern 14.
【0056】次いで、リフトオフによりレジストパター
ン14を除去し、このレジストパターン14上に堆積し
たSiO2膜15もまた除去した。ここで、マスクとな
るSiO2膜15aは除去せずに残した。そして、この
SiO2膜15aをマスクとしてシリコン層13をウエ
ットエッチングまたはドライエッチングでエッチングし
て、図12(c)に示すように、SiO2膜15a下にの
みシリコン層を残した。この残留させたシリコン層は、
電極1、2、および電極2に近接した量子構造3を形成
して、トンネル接合が形成される。あるいは、レジスト
のパターン形状を変えることによって、量子構造が電極
に接合したトンネル接合を形成しても良い。上述の実施
形態は一例であり、構造を制御して波動関数の分布にエ
ネルギー依存性を持たせた電極を有するトンネル接合を
形成する目的が達成されるならば、トンネル接合の形成
方法および材料はこれに限定されない。Next, the resist pattern 14 was removed by lift-off, and the SiO 2 film 15 deposited on the resist pattern 14 was also removed. Here, the SiO 2 film 15a serving as a mask was left without being removed. Then, using the SiO 2 film 15a as a mask, the silicon layer 13 was etched by wet etching or dry etching to leave the silicon layer only under the SiO 2 film 15a as shown in FIG. This remaining silicon layer
The quantum junction 3 is formed by forming the electrodes 1, 2 and the quantum structure 3 close to the electrode 2. Alternatively, a tunnel junction in which the quantum structure is bonded to the electrode may be formed by changing the pattern shape of the resist. The above-described embodiment is an example. If the purpose of forming a tunnel junction having an electrode in which the structure is controlled and the distribution of the wave function has energy dependence is achieved, the method and material for forming the tunnel junction are as follows. It is not limited to this.
【0057】加えて、上記の実施形態においては、パタ
ーニングの方法として電子ビーム露光を用いたが、任意
の適切な方法が使用され得、例えば、エキシマレーザ、
X線レーザ、およびシンクロトロン放射光を光源とする
フォトリソグラフィーなどを用いても良い。In addition, in the above embodiment, electron beam exposure was used as a patterning method, but any appropriate method can be used, for example, an excimer laser,
An X-ray laser or photolithography using synchrotron radiation as a light source may be used.
【0058】さらに、本発明はSi系に限定されるもの
ではないので、MBEおよび気相成長法が利用できるア
ルミニウムガリウム砒素系などの混晶化合物半導体、な
らびにアルミニウム等の金属と金属酸化物系にも適用可
能であり、自己組織化による微細構造等、材料系に限定
を与えるものではない。Further, since the present invention is not limited to Si-based, mixed crystal compound semiconductors such as aluminum gallium arsenide, which can be used for MBE and vapor phase growth, and metals and metal oxides such as aluminum. Is also applicable, and does not limit the material system such as a microstructure by self-organization.
【0059】[0059]
【発明の効果】本発明による電子素子は、材料の制限を
受けることなく、トンネル抵抗と接合容量とが独立に設
計され得るので、所用の動作速度を保持しつつ、動作温
度を上昇させることが可能になる。あるいは逆に、所用
の動作温度を保持しつつ、動作速度を向上させることが
可能になる。さらに、本発明の電子素子は、単電子素子
に適用され得る。より詳細には、トンネルの方向性によ
って特定方向にのみ電子をトンネリングさせ得る単電子
素子、および多重トンネリングを抑制し得る単電子素子
などを、構造などを制御するだけで、材料の限定を受け
ることなく実現することが可能になる。本発明による電
子素子は、材料に制限されないので、シリコン系にも適
用可能である。従って、代表的なシリコン素子であるM
OSデバイスと単電子素子との混合回路に適用し得て、
消費電力の著しく低いデバイスを実現することが可能に
なる。In the electronic device according to the present invention, the tunnel resistance and the junction capacitance can be independently designed without being limited by the material, so that the operating temperature can be increased while maintaining the required operating speed. Will be possible. Or, conversely, it is possible to improve the operation speed while maintaining the required operation temperature. Further, the electronic device of the present invention can be applied to a single electronic device. More specifically, a single-electron element capable of tunneling electrons only in a specific direction depending on the directionality of a tunnel, and a single-electron element capable of suppressing multiple tunneling, are limited in material only by controlling the structure and the like. It can be realized without. Since the electronic device according to the present invention is not limited to materials, it can be applied to silicon-based devices. Therefore, the typical silicon element M
It can be applied to a mixed circuit of an OS device and a single electron element,
It is possible to realize a device with extremely low power consumption.
【図1】本発明の一実施形態における電子素子の構造を
示す概略斜視図である。FIG. 1 is a schematic perspective view showing a structure of an electronic device according to an embodiment of the present invention.
【図2】電圧を印加しない場合の本発明の電子素子を説
明する図である。(a)は波動関数の結合を表すエネルギ
ー準位図、(b)はエネルギーバンド図、(c)は等価回路
を示す模式図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an electronic device of the present invention when no voltage is applied. (a) is an energy level diagram showing coupling of wave functions, (b) is an energy band diagram, and (c) is a schematic diagram showing an equivalent circuit.
【図3】電圧V(ただし、eV<E0)を印加した場合の
本発明の電子素子を説明する図である。(a)はエネルギ
ーバンド図、(b)は等価回路を示す模式図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an electronic device of the present invention when a voltage V (eV <E 0 ) is applied. (a) is an energy band diagram, (b) is a schematic diagram showing an equivalent circuit.
【図4】電圧−V(ただし、eV<E0)を印加した場合
の本発明の電子素子を説明する図である。(a)はエネル
ギーバンド図、(b)は等価回路を示す模式図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an electronic device of the present invention when a voltage −V (eV <E 0 ) is applied. (a) is an energy band diagram, (b) is a schematic diagram showing an equivalent circuit.
【図5】電圧V(ただし、eV>E0)を印加した場合の
本発明の電子素子を説明する図である。(a)はエネルギ
ーバンド図、(b)は等価回路を示す模式図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an electronic device of the present invention when a voltage V (eV> E 0 ) is applied. (a) is an energy band diagram, (b) is a schematic diagram showing an equivalent circuit.
【図6】電圧−V(ただし、eV>E0)を印加した場合
の本発明の電子素子を説明する図である。(a)はエネル
ギーバンド図、(b)は等価回路を示す模式図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an electronic device of the present invention when a voltage −V (where eV> E 0 ) is applied. (a) is an energy band diagram, (b) is a schematic diagram showing an equivalent circuit.
【図7】本発明の別の実施形態における電子素子のトン
ネル抵抗を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing a tunnel resistance of an electronic device according to another embodiment of the present invention.
【図8】本発明の別の実施形態における電子素子を説明
する図である。(a)は構造を示す概略斜視図、(b)はエ
ネルギーバンドの空間図、(c)はエネルギーバンドの平
面図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an electronic device according to another embodiment of the present invention. (a) is a schematic perspective view showing a structure, (b) is a spatial view of an energy band, and (c) is a plan view of the energy band.
【図9】トンネル接合とその方向性を示す模式図であ
る。FIG. 9 is a schematic diagram showing a tunnel junction and its directionality.
【図10】本発明の別の実施形態における単電子素子を
説明する図である。(a)はエネルギーバンド図、(b)は
等価回路を示す模式図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a single-electron element according to another embodiment of the present invention. (a) is an energy band diagram, (b) is a schematic diagram showing an equivalent circuit.
【図11】本発明の別の実施形態における多重トンネリ
ング抑制型単電子素子を説明する図である。(a)は動作
領域時のエネルギーバンド図、(b)はクーロン・ブロッ
ケイド領域時のエネルギーバンド図、(c)は等価回路を
示す模式図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a multiple-tunneling suppressing single-electron element according to another embodiment of the present invention. (a) is an energy band diagram in an operation region, (b) is an energy band diagram in a Coulomb blockade region, and (c) is a schematic diagram showing an equivalent circuit.
【図12】本発明の電子素子の形成方法を説明する斜視
図である。FIG. 12 is a perspective view illustrating a method for forming an electronic element of the present invention.
【図13】従来のトンネル接合を利用した電子素子のト
ンネル抵抗を説明する模式図である。FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a tunnel resistance of an electronic device using a conventional tunnel junction.
【図14】従来のトンネル接合を利用した電子素子を説
明する図である。(a)は動作領域時のエネルギーバンド
図、(b)はクーロン・ブロッケイド領域時のエネルギー
バンドを示す模式図である。FIG. 14 is a diagram illustrating an electronic device using a conventional tunnel junction. (a) is an energy band diagram in an operation region, and (b) is a schematic diagram showing an energy band in a Coulomb blockade region.
1、2 電極 3 量子構造 11 シリコン基板 12 埋め込み酸化膜 13 シリコン層 14 レジストパターン 15 SiO2膜 15a マスク(SiO2膜)1, 2 electrode 3 quantum structure 11 silicon substrate 12 buried oxide film 13 silicon layer 14 resist pattern 15 SiO 2 film 15a mask (SiO 2 film)
Claims (5)
されたトンネル接合と、該電極での波動関数の分布にエ
ネルギー依存性を与える手段とを備える電子素子であっ
て、該トンネル接合のトンネル抵抗が該電極に印加され
る電圧に依存して変化することによって、該電極の容量
成分とトンネル成分とが独立して設定され、かつ該トン
ネル接合が方向性を有する、電子素子。1. An electronic device comprising: at least one pair of electrodes; a tunnel junction formed at the electrode; and means for imparting energy dependence to a distribution of a wave function at the electrode, wherein the tunnel junction of the tunnel junction is provided. An electronic device in which a resistance changes depending on a voltage applied to the electrode, whereby a capacitance component and a tunnel component of the electrode are independently set, and the tunnel junction has directionality.
を与える手段が、前記一対の電極のうちの一方の電極に
近接して配設された、1つまたはそれ以上の量子構造で
ある、請求項1に記載の電子素子。2. The method according to claim 1, wherein the means for imparting energy dependence to the distribution of the wave function is one or more quantum structures disposed in close proximity to one of the pair of electrodes. Item 2. The electronic element according to Item 1.
を与える手段が、前記一対の電極のうちの一方の電極に
接合して配設された、1つまたはそれ以上の量子構造で
ある、請求項1に記載の電子素子。3. The method according to claim 2, wherein the means for imparting energy dependence to the distribution of the wave function is one or more quantum structures arranged in contact with one of the pair of electrodes. Item 2. The electronic element according to Item 1.
項1から3のいずれかに記載の電子素子。4. The electronic device according to claim 1, wherein the electronic device is a single electronic device.
し、該一対のトンネル接合の間にクーロンアイランドを
備え、該一対のトンネル接合の前記方向性が互いに反対
であるように直列に結合されて、多重トンネリングを抑
制する、請求項4に記載の電子素子。5. At least one pair of said tunnel junctions, comprising a Coulomb island between said pair of tunnel junctions, coupled in series such that said directions of said pair of tunnel junctions are opposite to each other, The electronic device according to claim 4, which suppresses multiple tunneling.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10193441A JP2000031464A (en) | 1998-07-08 | 1998-07-08 | Electron element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10193441A JP2000031464A (en) | 1998-07-08 | 1998-07-08 | Electron element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000031464A true JP2000031464A (en) | 2000-01-28 |
Family
ID=16308050
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10193441A Withdrawn JP2000031464A (en) | 1998-07-08 | 1998-07-08 | Electron element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000031464A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7107816B2 (en) | 2001-06-07 | 2006-09-19 | Advantest Corporation | Method for calibrating semiconductor test instruments |
-
1998
- 1998-07-08 JP JP10193441A patent/JP2000031464A/en not_active Withdrawn
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7107816B2 (en) | 2001-06-07 | 2006-09-19 | Advantest Corporation | Method for calibrating semiconductor test instruments |
US7107817B2 (en) | 2001-06-07 | 2006-09-19 | Advantest Corporation | Method for calibrating semiconductor test instruments |
US7107815B2 (en) | 2001-06-07 | 2006-09-19 | Advantest Corporation | Method for calibrating semiconductor test instruments |
US7111490B2 (en) | 2001-06-07 | 2006-09-26 | Advantest Corporation | Method for calibrating semiconductor test instruments |
US7121132B2 (en) | 2001-06-07 | 2006-10-17 | Advantest Corporation | Method for calibrating semiconductor test instruments |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Amlani et al. | Experimental demonstration of a leadless quantum-dot cellular automata cell | |
Ono et al. | Fabrication method for IC-oriented Si single-electron transistors | |
US20030107033A1 (en) | Trilayer heterostructure junctions | |
Fujiwara et al. | Double-island single-electron devices. A useful unit device for single-electron logic LSI's | |
Snider et al. | Experimental demonstration of quantum-dot cellular automata | |
EP1028472B1 (en) | Coulomb-blockade element and method of manufacturing the same | |
JP3258241B2 (en) | Single electron control magnetoresistive element | |
US20070140637A1 (en) | Method for high topography patterning | |
JP2000031464A (en) | Electron element | |
Snider et al. | A functional cell for quantum-dot cellular automata | |
EP0649174B1 (en) | Controllable conduction device with multiple tunnel junction | |
EP0394742B1 (en) | Superconducting three terminal device and process of fabrication thereof | |
US20090146222A1 (en) | Method for fabrication of single electron transistors | |
Takahashi et al. | Development of silicon single-electron devices | |
JPH09246536A (en) | Semiconductor element | |
Hu et al. | Proximity effect of electron beam lithography for single-electron transistor fabrication | |
JP4704802B2 (en) | Single electron transistor | |
JP3436779B2 (en) | Single electron tunneling device | |
JP4648061B2 (en) | Electric field modulation type single electron transistor | |
KR100905869B1 (en) | Method of manufacturing a dual gate single electron logic device operating at room temperature | |
Gurovich et al. | Control of superconducting transitions in nanowires using galvanically uncoupled gates for designing superconductor-based electronic devices | |
EP4567898A1 (en) | Field-effect transistor element and quantum computer device | |
US8509584B2 (en) | Nano-electron fluidic logic (NFL) device | |
US20240281690A1 (en) | Quantum transistor | |
Takahashi et al. | Si single-electron transistors on SIMOX substrates |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20051004 |